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浅谈管壳式换热器传热及其强化技术
王志刚
(河南许昌通用机械有限公司,河南 461000)
管壳式换热器在化工、石油、动力、冶金、制冷、原子能等工业部门中有着广泛的应用。据统计,在现代石油化工生产中,换热器的投资约占设备总投资的30%~40% ,炼油厂中换热器占全部工艺设备的40%,海水淡化的设备几乎全部是由换热器组成。随着现代工业的快速发展,对能源的需求越来越大,而利用高效换热器可以吸收化工、石油生产过程中存在的大量余热,既节约了能源,又减少了污染。与板式、板翅式换热器相比,管壳式换热器由于其适用性广、坚固耐用、密封性较好以及其结构简单、清洗方便是石油、化工等领域应用最普遍的一种换热器(占整个换热器设备的70%以上)。因此,如何最大限度地利用热能和回收热能,强化管壳式换热器成为人们所研究的重点之一。
1 强化传热的主要途径
1.1 增大传热面积
合理优化结构,采用合适的内外导流筒,增大有效传热面积;增大传热的扩展表面,如在管内外增加肋片或翅片,提高单位容积内设备的换热面积,来增强换热;将管壳式换热器串联增大换热面积。
1.2 增大传热平均温差
传热平均温差的大小主要由冷热两种流体的温度所决定,当两边流体均为变温的情况下,应当尽可能考虑从结构上采用逆流和接近逆流的流向以得到较大的△tm值。
1.3 提高传热系数,主要从管程和壳程传热强化系数的提高方面上考虑。
2 管壳式换热器传热强化技术进展
强化传热一般分为主动强化传热(有源强化)与被动强化传热(无源强化)两种。主动强化传热以消耗外部能量为代价的,如采用电场、光照射、搅拌、流体振动、机械表面振动等手段,由于受到外加能量限制,因而工程主要采用被动强化传热技术,即通过增加单位体积内的传热面积或者提高传热系数增加传热量。目前,管壳式换热器的传热强化技术主要包括管程和壳程的传热强化研究。现分别介绍如下:
2.1 强化管程技术:螺旋槽管、横纹管、螺旋扁管、管内插人物、翅片管和三维内肋管等多种强化热。人们想尽各种办法强化传热,归结起来两种途径:改变传热面的形状和在传热面上或传热管内设置各种形状插入物。
2.1.1 螺旋槽纹管:螺旋槽管是一种管壁上具有外凸和内凸的异形管,有光管积压而成,有单头和多头之分。管壁上的螺旋槽能在有相变和无相变的传热中明显提高管内外的传热系数,起到双边强化的作用。螺旋槽管之所以能强化传热,是螺旋槽使冷凝液膜产生附加的表面张力场,使平均冷凝液膜减薄,减少了冷凝传热热阻所致。管内强化传热主要有二种流动方式决定,槽纹使管内流体产生二次流动,螺旋槽所导致的形状阻力,产生逆向压力梯度使流体在管壁分离,其传热性能较光管提高2~4倍。
2.1.2 横纹管:它是一种用普通圆管作毛胚,在管外壁经简单滚轧出与轴线垂直的凹槽,同时在管内成一圈突起的环肋。横纹管主要用来强化管内单相流体的传热。在相同流速下,横纹管流阻比单头螺旋槽管的小。其强化机理:当管内流体在管壁附近形成轴向漩涡,增加边界层扰动,使边界层分离,利于热传递,但流体漩涡将要消失时,流体又到达下一个横纹,不断产生漩涡扰动,保持传热强化的稳定。可在同等传热条件下节省设备投资近30%。
2.1.3 螺旋扁管:由于管子的独特结构,管子换热段的任一截面均为长圆形,其制造包括管子压扁和热扭曲。流体在管内处于螺旋流动,促使湍流程度。经实验研究表明螺旋扁管管内膜传热系数通常比普通圆管大幅度提高,在低雷诺数时最为明显,达2~3倍;随着雷诺数的增大,通常也可提高传热系数50%以上。
2.1.4 管内插入物:采用插入物,可以使流体在低速下产生径向位移和螺旋流相叠加的复杂流动,可提高湍流和流体扰动,在增加较小压降的条件下提高较大传热系数.管内插入物有:环式、拉希格图、盘式、螺旋线圈、螺旋带、螺旋片、扭带等。管内安装插入物的强化传热特点:不改变传热面形状;插人物加工简单,特别适合于现有设备改造,不需要更换原有管壳式换热器。选用两台换热器进行对比试验,得出结论:加有弹簧插入物的换热器比普通光管总传热系数提高32.8%。在不同流量下测试,压降比光管换热器增加0.5%~1.3%。用于气体工况可提高4~5倍,并且插入物可以使换热管的防垢力提高8~10倍。
2.1.5 内翅片管:用于强化管内单相流体的传热。并于20世纪90年代又开发出一种高效强化管内相变传热的内螺旋翅片管。采用左右错式的螺旋内翅片管强化单相流体的传热可使管内传热系数提高到光管的2.8倍左右。
2.1.6 三维内肋管:三维内肋管是通过专用的工具,经过一定的方法对普通圆管内壁加工而成的高效强化传热元件。流体在管内受到三维肋的作用而使其热边界层的厚度减薄,从而提高对流传热膜系数。对于空气的管内换热,三维内肋管最高可达相同工况下光管换热的5.8倍,而对高Pr数的流体,其强化换热倍数可达更高值。就管内的凝结换热和沸腾换热而言,其换热倍数也分别是相同工况下光管同类换热的3~5倍和2~5倍。
2.2 强化壳程换热
壳程强化传热途径:改变管子外形或在管子外加翅片,改变壳程挡板或管内支撑物的形状,减少壳程流动和传热的死区,尽量增加传热面积。2.2.1 折流杆换热器。折流杆式换热器是一种以折流栅代替折流板的换热器,它由排布的支撑杆形成一系列的壳程折流,每副单一的折流栅的主要构件包括支撑杆、折流环交叉支撑拉杆、分隔板和纵向滑动杆。支撑杆杆端均焊接在圆环折流环上,采用4种不同布置方式的折流栅构成折流栅组。用在无相变及有相变冷凝传热方面,其总传热系数比普通光滑再沸器提高了1.2~1.7倍,而且能有效地防止流体诱导的振动破坏,抗振性能良好。在强制对流条件下传热系数可提高4~5倍。
2.2.2 螺旋折流板:螺旋折流板通过改变壳程折流板的结构,使壳侧流体呈连续的螺旋状流动。突破了壳程介质“Z”形折返的传统方式。它由若干块四分之一壳程横截面的扇形板组装成螺旋状折流板,介质自壳体进口向出口螺旋推进。螺旋折流板之所以强化传热是因为:一方面流体在壳侧的流动更加接近于柱塞状的流动,提高了传热温差;另一方面,螺旋流动使壳侧流体半径方向上存在速度梯度,并且破坏了边界层从而强化了传热。
介质在其壳程中的流动既不是横向流,也不是纵向流,而是一种螺旋状斜向流。螺旋折流板可防止死区和返混,压降较小。这种结构显著地提高了传热效率,大幅度降低了压力降,控制了振动造成的破坏,减少了污垢沉积的可能性,为换热设备大型化提供了广阔的前景。介质在壳体内连续平稳旋转流动,避免了大斜度折返带来的严重压力损失,此种结构压力降低,故可以利用不同角度调整流通截面,使提高流速成为可能。
由于螺旋折流板换热器和传统换热器的区别仅限于壳程折流板的结构,管束和壳体配合尺寸都不变,可以自由地插入到原换热器壳体中,不需要更换壳体,更不需要改变配管和安装位置。这一特点非常适用于正常检修期间更换管束,减少了更新改造的复杂程度并降低检修费用。因此,螺旋折流板换热器在我国化工、石油化工等行业中将有着广阔的应用前景。
3 结束语
强化传热技术的进步和推广,不但能节约大量的能源,而且能大大减少设备的重量和体积,节省金属材料降低成本,可获得较高的经济效益.应大力推广各种高效换热器,以建立节约型社会。
[参考文献]
[1] 聂海德.化工设备设计.化学工业出版社,1993.
[2] 钱颂文.管壳式换热器设计原理.华南理工大学出版社,1990.
[3] 朱冬生.强化传热技术及应用.化工装备技术,2000.
[4] 秦叔经.换热器.化学工业出版社,2003.
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